1、DAB与DRM李 栋（北京广播学院教授）2004年3月26. 香港,1、模拟广播向数字广播过渡是科技发展的必然趋势,现今模拟FM广播和模拟AM广播技术，在世界范围内迟早都要向数字声音广播技术转换，是科技发展的必然趋势。其原因，一是数字声音广播无论是对广大听众还是对广播机构自身，都会带来极大的利益；二是由模拟向数字过渡的最大障碍由于数据率压缩技术的进步已经排除。,对广播听众来说，数字声音广播可以消除模拟广播中经常出现的干扰和衰落带来的影响，得到高的声音信号质量，最高可达到CD质量水平。同时，数字声音广播是多媒体，除了带给听众丰富多彩的声音广播节目外，还有五彩缤纷的数据业务，充分满足广大听众的不同
2、需要。,对广播机构来说带来的效益可能比带给听众的还要大: 节约发射功率 节约频谱,如果现今的模拟FM广播覆盖用数字音频广播（DAB）替代，发射功率可降低为原来的1/30，而频谱利用率起码可为FM广播的3倍（节约的频谱可以用来开办新的节目）。,如果现今的模拟中、短波调幅广播覆盖用数字AM替代，发射功率可降低为原来的1/4。发射功率的降低，能源的节约带来的广播运行费用的降低是可观的，同时随着发射台发射功率的降低，电磁污染随之降低，环境保护得到改善。,由模拟向数字过渡，需要相应的发射设备和接收设备，必然带动新的产业，给产业界会带来极大的经济效益。,鉴于以上情况，广播机构应充分认识数字化带来的好处，应
3、该有一个明确的实施战略，积极创造条件，加速推进声音广播数字化的进程。,2、地面数字声音广播覆盖的主要形式DAB与数字AM,在世界范围，为了实现声音广播的数字化，研究、开发和试验已经走过了15年多的历程。首先是开发出了模拟FM广播的最好替代技术，就是欧洲的尤里卡-147 DAB（Digital Audio Broadcasting-数字音频广播）。它是全世界公认的、迄今为止最好的数字数字广播技术，已经在欧洲和其它一些国家得到一定程度的发展与应用。在全世界25个国家的范围内，数字音频广播的听众已经达到3亿。,据WorldDAB项目办公室2002年7月的资料，人口覆盖率：新加坡100%，比利时98%
4、，台湾地区90%，英国80%， 葡萄牙70%， 德国65%，芬兰62%， 西班牙50%， 瑞典40%，加拿大35%，丹麦30%， 意大利30%，法国26%， 奥地利19%， 南非18%，澳大利亚15%，捷克12%， 荷兰10%。,DAB不仅仅是FM广播的替代者，它是全新的数字多媒体广播系统。,中、短波调幅广播数字化的开发也有大约10年的历史。与DAB不同的是，中、短波广播是远距离、覆盖范围广的广播，尤其是短波广播，全世界必须采用统一的制式与技术规范。要兼顾考虑的问题比DAB要复杂的多。,到1998年为止，在全世界范围内曾经提出了五种制式，有的已经过了充分的试验，达到了实用的程度。在“必须采用统
5、一的制式”的共识下，1998年3月在我国广州成立了数字AM广播的国际性组织DRM（Digital Radio Mondiale），承担统一制式、制定标准的任务。 经过几年的努力和多次大规模严厉的开路实验，DRM技术也已经成熟。,除了DRM建议外，还有另一个来自美国的关于中波广播的建议。这个建议由“美国数字广播”（USADR）开发，后来USADR与Lucent Technologie公司联合形成iBiquity之后，递交的建议基于30KHz的带宽。理论上也可以允许两种系统，但是，只有DRM满足ITU对长中短波的所有要求，并因此而取代30MHz以下的模拟广播系统。,ITU成员国的大多数建议将来全世
6、界范围在长中短波波段应用DRM系统。从2003年的世界无线电行政大会开始，进行首次的正规发射。目前在世界范围内已有60多个广播机构进行DRM广播。,为了使DRM系统可以在尽可能宽的范围内全球实施，在三种不同的途径上推动标准化工作的进展：a)、DRM与IEC一起制订工业标准 为了开发和制造设备，发射机与接收机制造商需要一个工业标准。IEC为DRM专门成立了两个技术委员会。,b)、在ITU-R和IEC的标准化30MHz以下广播新的数字标准首次由两个组织共同来完成，以确保全世界能够接受。,c)、在ETSI的标准化DRM-ETSI标准已经提供使用，这样，在工业界进行设备与电路组件的开发时就不存在障碍。
7、以后ETSI标准将成为世界级的，以便很容易迁移到其他标准化市场中。,关于发射机、接收机与相应测试设备的标准化，在IEC的两个工作组中进行。该项工作在2002年结束。目前IEC公开发表的是DRM规范PAS62272-1。,DRM系统在欧洲电信研究所（ETSI）的标准化已经结束，并且可以免费提供使用。ETSI在2001年9月发布了名称为 “ ETSI TS 101 980 V1.1 (2001-09) Digital Radio Mondiale(DRM);系统规范”的标准。,顺便指出，以前没有过的是公共的DRM标准不仅由ITU发布，也由IEC发布。在2000年在伊斯坦布尔举行的世界无线电大会期间
8、，在两个组织的一个决议中确定了这样的处理方式，并且要首次考虑在DRM标准化中实施。,数字AM广播保留了模拟AM广播的优点（服务范围大，固定、便携和移动接受都有相同的质量），克服了模拟AM广播的缺点（传输质量差）。在保持与模拟AM广播相同的带宽（9KHz或10KHz）的情况下，可达到FM单声道广播的质量。因此，现在人们称数字AM广播是调幅广播的覆盖范围、调频广播的质量的数字声音广播。,DAB与数字AM二者之间有什么关系，是竞争还是互补？各自的技术特征是什么？以下将就它们的工作频段、覆盖方式与范围、带宽、传输能力（数据率）与频谱利用率、信源编码方法、信道编码方法、调制方法、移动接收能力、同步网运行
9、能力、由模拟向数字过渡的问题等方面进行分析和比较。,3、DAB与数字AM的比较,3、1 工作频段 粗略地分，DAB是30MHz以上的广播，数字AM是30MHz以下的广播。它们使用不同频段的频率资源，发展与应用没有任何冲突。,具体来说，DAB的工作频率范围是47MHz-3GHz，地面广播最佳的工作频段是现今已被FM广播占用的87-108 MHz频段。等到DAB发展到一定的程度，模拟FM广播退役以后，目前地面大多数DAB电台都要搬迁到87-108 MHz的频段工作（现在生产的DAB接收机已经具备了接收该频段DAB信号的能力）。,现今的DAB的工作频率分为四个频段，即VHF（375MHz以下）、UH
10、F（750MHz以下）、1.5GHz和3GHz，前两者用于地面较大范围的覆盖，1.5GHz用于地面小范围的覆盖以及地面与卫星的混合覆盖，3GHz主要用于通过卫星的DAB覆盖。,数字AM的工作频段与现今的模拟AM长、中、短波广播完全相同。,传输模式3、2 欧洲在开发DAB时，提出过下列要求：（1）可工作在30MHz-3GHz的频率范围；（2）在行车速度直到约200Km/h可移动接收；（3）能强有力对抗多径接收产生的衰落，特别在同步网中。,由于物理条件的限制，用一个唯一的传输模式去覆盖宽的频率范围，并满足其它要求，实际上是不可能的。因此，DAB规定了工作于不同频段的四种传输模式。,传输模式（或称工
11、作模式、运行模式）实际上就是在不同的频段，有相应的一套参数。在DAB中，不同的频段有不同的符号长度。随着工作频率的提高符号持续期减小、载波数量减少、载波间隔增大。不管何种模式，射频带宽保持不变，传输主业务的能力（数据率）不变。,DRM系统工作于30MHz以下的长、中、短波段，为了满足不同的运行条件，可以选用不同的传输模式。每一种传输模式用信号带宽相关参数和传输效率相关参数定义。信号带宽相关参数定义了频率带宽的总量和一种传输模式所用的结构，效率相关参数允许在容量（可用比特率）与抗噪声、多径干扰和多普勒效应之间进行折衷。,信号带宽相关参数： 30MHz以下的广播目前信道宽度为9kHz和10kHz，
12、DRM系统设计用于为满足当前的频道配置，工作于这些规定的带宽。为与模拟AM信号共同广播，工作于这些带宽的一半（4.5kHz或5kHz）。当频率规划的限制允许时，工作于这些带宽的两倍（18 kHz或20 kHz），以提供更大的传输容量。,传输效率相关参数： 对于任意信号带宽参数，为了能够在容量（有用比特）和抗噪声性能，多径和多普勒效应之间进行均衡，都定义了有两种类型的传输效率相关的参数：编码率和星座图参数，定义传输数据时使用哪种编码率和星座图。OFDM符号参数，作为传播环境（条件）的函数，定义OFDM符号结构。,（1）、编码率和星座图为对每种业务或者一种业务的某些部分进行期望的保护，系统提供了一
13、系列选项，以便在某一时间提供一种或两种级别的保护。根据业务的需要，这些保护的级别由信道编码的编码率(如0.6)、星座图（如4QAM,16QAM,64QAM）或分级调制来决定。,（2）、 OFDM参数组 OFDM参数组中的每一套参数用于不同的传播衰减条件，以保证信号有不同的强壮性。对于给定的带宽，不同的强壮模式用于不同的数据率，有四种典型的强壮模式,四种典型强壮模式,强壮模式 典型传播条件A 有弱衰落的高斯信道B 有长时延弥散的时间选择性与频率选择性信道C 与模式B相同，但有大的多谱勒弥散D 与模式B相同，但有严重的时延和多谱勒弥散,3、3覆盖方式与范围 DAB的覆盖有三种方式： 地面（无线，T
14、-DAB） 电缆或光缆（有线，C-DAB） 卫星（S-DAB）。,在地面覆盖方式中，可以使处于不同地点的多个发射机单频网（SFN）运行，实现较大范围的覆盖。如果工作在VHF频段，单频网发射台之间的距离通常为60公里，如果工作在L波段，单频网发射台之间的距离通常仅为15公里。,地面DAB也可仅使用单一发射机实现小范围的覆盖。对于一个城市来说，使用一个DAB发射机覆盖也就够了。当本地电台不可能提供多达6套节目的话，可以用较少量的节目并同时提高整个信号的差错保护度（即人为提高冗余度、降低信道编码率），来占满DAB可提供的整个数据容量。这样，就可以进一步降低传输的剩余误码率，扩大发射台的作用距离，扩大
15、覆盖面积。,在有线覆盖方式中，覆盖范围由有线网的规模决定。最简单的方法是，将由空中接收的DAB信号直接变为电缆工作频率继续传送给用户。但这种方法的缺点是频谱利用不经济。,原因是在电缆中传送，不像在空中无线传送要求那样高的差错保护度，可用的容量还可以进一步提高，例如，在电缆网中一个DAB频率块上可以传送9套CD质量的立体声节目，同时，还有更多的容量用于传送数据业务。,对于小型电缆分配网来说，将DAB信号进行变换，涉及到费用问题。不论采用什么方案，在电缆网中可以与直接接收地面电台一样，使用相同的DAB接收机。,DAB应用的COFDM传输方法，本来就是为可支持移动接收的直播卫星而设计的。卫星传送的优
16、点是有相当大的覆盖区域。对于全国性节目来说，通过卫星进行全国的覆盖可能是最经济的方案，可以节约可观的无数个地面同步网建设、节目和数据馈送以及维护、运行的费用。,数字AM的覆盖方式与模拟AM 完全相同。在保持与原来的覆盖范围相同的情况下，数字AM广播的发射机发射功率可以降低；如果发射功率保持不变，覆盖范围可以扩大，使原有覆盖区的接收质量得到整体提高。,3、4 带宽、传输能力（数据率）与频谱利用率 DAB是应用COFDM技术、带宽为1.536MHz(与工作频段无关)的宽带系统，在这样宽的频率范围内，可以传输的总数据率为2432kb/s,很容易计算出频谱利用率为 1.583（b/s）/Hz,在总数据
17、率中，用于传送主业务的数据率为2304 kb/s。,如果每套立体声节目经信源编码后的数据率按2 X 96 kb/s计（可达到CD质量），信道平均编码率按1/2计，可同时传送6套CD质量的立体声节目。如果按每套节目来衡量频谱利用率的话，在DAB中每套立体声节目占用约250KHz的频谱。,关于数据业务的传输，在DAB中可传送节目相关数据以及独立的数据业务。数据传输分为流模式与包模式。数据业务可以包含在音频帧中的PAD（节目相关数据）数据区，也可以在IFC（快速信息信道）的IFDC（快速信息数据信道）中传送，也可以在主业务信道（MSC）中传送。,DRM虽然总的数据率在音频业务与数据业务之间的分配是很
18、灵活的，但是用于数据业务的数据率是有限的，否则影响音频节目质量。通常考虑大约使用1kb/s的数据率来传送数据业务，相当于模拟调频广播中的RDS（广播数据系统）的能力。,数字AM虽然也应用COFDM技术，但带宽仍然保持模拟AM的带宽（9KHz或10KHz）。在这样的带宽内可以传输的数据率与所选择的工作模式及调制方法有关。,例如，当工作于传输模式A，带宽为10KHz时，有228个载波，符号长度TS=26.666ms，选用64QAM调制时，每个符号6比特，可以计算出可以传输的总数据率为51.3 kb/s（绝大部分用于传输主业务信道信息，其它部分用于传输快速访问信道与业务描述信道信息,频谱利用率为5.
19、13 （b/s）/ Hz。,若主业务信道信号的信道编码率按0.6计，则允许信源编码器输出的数据率为26.6 kb/s。若16QAM的调制方法，主业务信道信号的信道编码率按0.62计，则允许信源编码器输出的数据率18.5kb/s。,3、5 信源编码方法 在DAB中应用了简称为MUSICAM（掩蔽型自适应通用子频带综合编码与复用）的编码方法（即MPEG1-LAYER2）。它可以把一套立体声节目的数据率，由2X768kb/s降低到296kb/s，人们听不出数据率压缩后的节目与原版节目的差别，达到CD质量水平。,DAB将来也可以使用MPEG2-LAYER2 ，进行环绕声和多语言广播。同时，也考虑了低（
20、半）取样频率低比特率编码。,在数字AM中，根据播送节目（音乐还是语言）以及选择的传输模式，可以选择MPEG4中的三种编码方法以及频带恢复（SBR）技术。,由于占用的RF带宽与传输的数据率成正比，而声音质量与压缩后的数据率成正比，在带宽一定的情况下（例如9KHz或10KHz），要想达到FM的质量，必须用音频数据率压缩效率最高、质量最好的信源编码方法。,在数字AM系统中，音乐节目使用MPEG-4 AAC（先进音频编码）方法。同时，为了实现高音频成分的听觉效果，还使用频带恢复（SBR）技术。语言节目选用CELP（编码激励线性预测）方法（比特率4-20 kb/s）或HVXC（谐波矢量激励编码）方法（比
21、特率2-4kb/s），以便可以传送多套节目。,3、6 信道编码方法,在DAB中使用的信道编码方法是约束长度为7的可删除型卷积编码，可实施等差错保护和不等差错保护，可提供8/9、8/10、8/31、8/32共24种不同的信道编码率。,数字AM使用的信道编码方法与删除矢量与DAB完全相同。,在五种制式并存的试验阶段，法国CCETT/TDF提出的数字系统的信道编码方法选用了Turbo方法，法国Thomcast公司提出了将编码与调制作为一个整体考虑的TCM编码（特殊的卷积编码）方法，但在制定数字AM技术规范时，并没有被选用，而是选用了与DAB相同的信道编码方法。笔者认为，在其它方法没有特别显著的优点的
22、情况下，选用通用的方法（在DVB中也是应用约束长度为7的卷积编码）对生产和产品的廉价有利。,3、7 调制方法,DAB是多载波宽带系统，采用CFODM（编码正交频分复用）技术，将经过处理的数据分配在每个载波上。为了能有较强的抗干扰能力，每个载波采用数据率较低的4DPSK调制。,在数字AM系统中虽然也使用COFDM技术，但根据传输条件和播送的节目的不同，可选择使用、16QAM或64QAM等不同的调制方式QPSK（有的信息采用QPSK=4QAM调制 ） ，接收机能自适应解调。,3、8 移动接收 移动接收时由于多径传播和多普勒效应，会同时出现频率选择性和时间选择性衰落，严重影响接收质量。,DAB由于采
23、取了相应的措施，例如频率交织和时间交织、工作在不同的频段有相应的参数，以及采用了抗干扰能力强的4DPSK调制方法，因此，DAB可以确保直到250km/h的汽车速度下，能良好接收。,调幅广播由于频率相对较低，由多径传播与由汽车移动多普勒效应带来的影响相对较弱。影响较大的多普勒效应主要来自短波广播时电离层的移动。传统的调幅广播在 1000km/h 的速度下（例如在飞机上）仍能良好接收。数字AM广播完全保留了模拟AM广播的优点，固定、便携和移动都有同样好的质量。,3、9 同步网运行能力 同步网运行的的最大优点一是节约频谱，二是可以节约发射功率。,COFDM是多载波并行传输方法，与单载波相比，符号期很
24、长，可以有效防止具有较大时延差的多径传播的信号，在接收机相遇时产生的符号间干扰。,同时，还人为将符号持续期增加一个被称为“保护间隔”的时间长度。经过这样处理后，只要到达接收机天线的多径信号之间的时延差不超过保护间隔，那么所有的多径信号（包括直达的、绕路的或由同步网中其它发射台来的）都会对总的接收信号做出有益贡献。因此，COFDM方法与“保护间隔”构成了DAB有同步网（单频网-SFN）运行的基础。,DRM采用了与DAB相同的技术，因此，也有同步网运行的能力。,3、10 由模拟向数字过渡的问题,DAB是全新的技术系统，发射与接收必须使用新的设备。实施DAB必须首先解决频率分配问题。等DAB发展到一
25、定的程度之后，模拟FM广播就要退出历史舞台，被DAB 替代。 新技术不是自动运转机，需要人们慢慢地启动，但是，没有一个明确的DAB发展与实施战略，不可能实现有效的市场渗透。,作为DAB广泛推广有成效的因素，市场研究者提出了三点：网络覆盖起码达到60%；可提供使用的DAB接收机；和市场竞争。 DAB地面广播应从大城市和经济发达地区开始，以移动接收为切入点。,DRM系统不需要重新进行频率规划，很容易实现从模拟到数字的平稳过渡。数字AM系统还有一个最大的优点，那就是原有的现代发射机（PDM、PSM、DX系列、M2W等）都可以继续使用，只须增加数字调制器和部分改动。,在由模拟AM向数字AM过渡期间，同
26、一部发射机可以同时播出模拟与数字节目，这就兼容了已有模拟AM接收机用户。世界范围数字AM广播的潜在市场是巨大的。,4、DAB与数字AM广播的关系,DRM广播主要是以很好的声音质量，将来取代模拟的中短波AM广播。它是对DAB的补充。DAB 和DRM广播不应看成相互竞争，而是最佳合作的互补技术。,DAB在本地范围有突出的优点，DRM数字中短波广播是用于远距离、大面积的覆盖。在广播数字化后，听众对这两种系统都感兴趣：收听当地广播通过DAB，远距离和国际广播通过DRM。,5、结束语,将来的广播是数字广播，对此不应有任何怀疑。然而技术优越并不是有成效的市场的保证，现在必须进行广泛的宣传，让广大听众知道数字广播能给他们带来什么。广播机构应充分认识数字化为自身带来的好处，应该有一个明确的实施战略，积极创造条件，加速推进声音广播数字化的进程。,谢谢！,
